Gelombang Berikutnya dalam Wearables: Perawatan Kesehatan Diagnostik yang Lebih Cerdas dengan Patch Ultrasound

Teknologi wearable, atau ‘wearables,’ telah mendapatkan banyak perhatian, baik dalam hal pengembangan maupun penggunaan. 

Perangkat elektronik ini dirancang untuk dipakai sebagai aksesori pada tubuh pengguna. Mereka bahkan dapat ditanamkan atau disematkan dalam pakaian. Faktanya, seperti yang kami bagikan, peneliti baru-baru ini mencapai terobosan dalam teknologi wearable, memungkinkan pembuatan tekstil yang merespons gerakan dan suhu. Betapa menariknya! 

Tapi bagaimana wearables mencapainya? Nah, mereka dilengkapi dengan sensor untuk mengumpulkan data terkait kesehatan pengguna, kebugaran, dan kondisi lingkungan. Sementara itu, prosesor memungkinkan mereka melakukan perhitungan dan melaksanakan tugas yang dimaksud. 

Perangkat ini juga dirancang untuk berkomunikasi dengan perangkat lain melalui teknologi nirkabel, memungkinkan mereka menyinkronkan data dan mengakses fitur tambahan melalui aplikasi.

Teknologi wearable memiliki beberapa kasus penggunaan, seperti navigasi, permainan interaktif, meningkatkan efisiensi, dan memungkinkan pembayaran tanpa kontak, antara lain, untuk meningkatkan pengalaman pengguna secara keseluruhan. 

Sebuah aplikasi nyata yang penting dari wearables yang akan kami fokuskan hari ini adalah kedokteran dan perawatan kesehatan. Perangkat kesehatan wearable sebenarnya terbagi menjadi dua kategori luas: wearables kelas konsumen dan wearables kelas medis. 

Wearables kelas konsumen seperti jam tangan, pakaian, dan cincin memungkinkan pengguna memantau kesehatan dan kebugaran mereka dengan melacak metrik seperti langkah yang diambil, kalori terbakar, detak jantung, kadar oksigen, dan pola tidur. Memiliki akses data berharga secara real-time memungkinkan pengguna merawat diri mereka dengan lebih baik. 

Wearables kelas medis, sementara itu, mencakup monitor tekanan darah, monitor ECG, biosensor, dan monitor glukosa, yang semakin populer untuk memberikan pengguna data berharga dalam mengelola penyakit kronis. Dengan memberi pasien kemampuan untuk mengumpulkan dan mengakses data kesehatan mereka sendiri dan kemudian melaporkannya, teknologi ini menghilangkan kebutuhan akan janji temu tatap muka. 

Perangkat ini juga menawarkan profesional kesehatan wawasan yang dapat ditindaklanjuti secara real-time, yang juga tersedia secara remote, dan membantu mereka memberikan perawatan yang lebih dipersonalisasi. Menariknya, kita mungkin segera dapat menggunakan smartphone biasa kita sebagai glucometer. 

Mengingat manfaat besar teknologi wearable, ada permintaan yang melambung untuk perangkat kesehatan wearable pintar, yang diproyeksikan bernilai $70 miliar dalam empat tahun ke depan. 

Wearables kelas konsumen menyumbang pangsa terbesar karena ketersediaan dan aksesibilitas yang meningkat serta, tentu saja, ketersediaan luas smartphone yang memungkinkan manajemen data yang mudah. Wearables kelas medis, sementara itu, harus melalui penelitian klinis dan mendapatkan persetujuan dari badan pemerintah terkait untuk mengumpulkan data bagi pengambilan keputusan klinis.

Inovasi Ultrasound Wearable yang Merevolusi Perawatan Kesehatan

Di tengah semua kegembiraan dan pengembangan seputar wearables, peneliti telah menciptakan sebuah perangkat ultrasound wearable yang melakukan pemantauan nirkabel aktivitas otot. Teknologi baru ini memiliki potensi aplikasi dalam perawatan kesehatan dan antarmuka manusia‑mesin. 

Perangkat elektromyografi (EMG) wearable sudah dapat mengidentifikasi aktivitas otot untuk memantau kesehatan dan melacak gerakan tubuh. Namun, pendekatan ini cukup terbatas karena sinyal EMG memiliki resolusi spasial rendah, stabilitas, dan rasio sinyal‑to‑noise yang rendah. 

Sinyal EMG dari banyak serat otot juga cenderung tercampur, menyulitkan isolasi kontribusi serat otot tertentu. 

Belum lagi, sinyal tersebut secara intrinsik lemah selama aktivitas otot normal. Untuk mengatasinya, elektroda besar harus ditempelkan pada kulit untuk merekam aktivitas listrik otot, yang mengurangi resolusi spasial.

Alternatif menjanjikan untuk standar klinis ini adalah ekomiyografi (EcMG), yang dapat mendeteksi gerakan otot menggunakan gelombang ultrasound. Ultrasound, bagaimanapun, menembus jaringan dalam untuk memberikan pencitraan resolusi tinggi, menawarkan wawasan detail tentang fungsi otot. 

Meskipun aman, serbaguna, dan mudah diakses, masalah dengan EcMG adalah ketergantungannya pada array transduser yang besar dan kompleks. Mereka tidak hanya membatasi mobilitas pengguna tetapi juga memiliki konsumsi daya tinggi.

Jadi, insinyur di University of California San Diego, dengan dukungan dari National Institutes of Health, mengembangkan sistem ekomiyografi wearable yang terintegrasi penuh. 

Sheng Xu, seorang profesor dan Jacobs Faculty Scholar di Departemen Kimia dan NanoEngineering Keluarga Aiiso Yufeng Li di UC San Diego, yang memimpin studi ini, sebelumnya telah melaporkan patch ultrasound semacam itu.

Tahun lalu, tim melaporkan pencapaian kemampuan nirkabel pada patch ini. Elemen kunci dari studi tersebut adalah desain sirkuit ultrasound‑nya. 

Pada perangkat sebelumnya, tim mengganti kabel fleksibel yang terhubung ke probe ultrasound dan menggunakannya untuk transmisi data serta daya.

“(Sirkuit ini) dapat memproses awal dan secara nirkabel mentransmisikan data ultrasound ke stasiun back‑end untuk analisis lebih lanjut.”

– Xu mengatakan pada saat itu

Fokus studi sebelumnya adalah pada kesehatan kardiovaskular, dan algoritma pembelajaran mesin secara otomatis memproses sinyal dan terus melacak arteri karotis, memungkinkan tim mendapatkan informasi ultrasound bahkan ketika pemakai patch bergerak. 

“Algoritma pelacakan otomatis ini memberikan peluang belum pernah ada sebelumnya untuk ultrasonografi medis dan fisiologi latihan.”

– Muyang Lin, penulis utama dan kandidat Ph.D. di Laboratorium Xu

Tim melakukan cross‑validation model AI mereka pada sepuluh subjek sehat dari tiga kelompok ras yang berbeda, dan langkah selanjutnya melibatkan validasi patch pada populasi yang lebih besar. Menurut Lin:

“Dengan jenis perangkat ini, kami berharap dapat mengaburkan batas antara perawatan di rumah dan diagnosis di rumah sakit. Kami membayangkan masa depan di mana diagnosis dapat terjadi kapan saja dan di mana saja, didukung oleh perangkat nirkabel seperti ini.”

Sementara patch dievaluasi untuk memantau fungsi kardiovaskular, ia juga dapat diterapkan pada perut dan anggota tubuh untuk pemantauan diafragma dan arteri perifer, yang menjadi target dalam studi terbaru. Beberapa bulan lalu, Xinyi Yang dari laboratorium Xu demonstrated bahwa patch ultrasound wearable dapat dipasang dengan nyaman di pelipis untuk memberikan data 3D aliran darah otak.

Membuka Potensi Interaksi Manusia‑Mesin

Sekarang, inovasi utama dari penelitian terbaru adalah penggunaan satu transduser ultrasound untuk mendeteksi masalah dalam jaringan lebih efektif.

Patch ultrasound lembut ini dibungkus dalam casing elastomer silikon fleksibel dan melibatkan tiga elemen utama—a single transducer to send and receive ultrasound waves, a customized wireless circuit for data processing and controlling the transducer, and an on-board lithium‑polymer battery for powering the system for at least three hours.

Transduser ultrasound tunggal, yang merupakan inovasi utama, memancarkan gelombang ultrasound dengan intensitas terkontrol dan menangkap sinyal radiofrekuensi yang membawa informasi. Ini memungkinkan aplikasi klinis seperti mengukur ketebalan diafragma. 

Perangkat menggunakan sinyal ini untuk mencapai resolusi spasial tinggi, yang penting dalam mengisolasi gerakan otot tertentu. Algoritma deep‑learning khusus, sementara itu, membantu peneliti mengekstrak wawasan tambahan dari sinyal tersebut.

Algoritma AI memetakan sinyal ke distribusi otot yang bersesuaian, sehingga memungkinkan deteksi tepat gerakan tertentu dari sinyal yang dikumpulkan.

Perangkat yang ditenagai baterai dapat ditempelkan pada kulit dengan lapisan perekat untuk pemantauan nirkabel otot jangka panjang yang akurat.

“Teknologi ini berpotensi dipakai oleh individu selama rutinitas harian mereka untuk pemantauan berkelanjutan jangka panjang.”

– Co‑author Xiangjun Chen, a Ph.D candidate in the Materials Science and Engineering program at UC San Diego

Untuk mendemonstrasikan apa yang dapat dicapai, tim menggunakan perangkatnya untuk mendeteksi aktivitas diafragma, yang memungkinkan pengenalan mode pernapasan yang berbeda. Mereka menemukan bahwa sistem ekomiyografi wearable dengan satu transduser ini sebenarnya dapat melacak dan mendeteksi pola pernapasan yang berbeda dengan melacak aktivitas diafragma dengan resolusi sub‑milimeter.

Selama pengujian perangkat, ia dipasang di atas tulang rusuk untuk memantau ketebalan dan gerakan diafragma, yang membantu menilai kesehatan pernapasan.

Ketebalan digunakan untuk mengevaluasi disfungsi diafragma dan memprediksi hasil pada pasien yang dipasangi ventilator. Dengan menganalisis gerakan otot, pola pernapasan yang berbeda dapat dideteksi, yang dapat membantu diagnosis kondisi terkait gangguan pernapasan, seperti pneumonia, asma, dan penyakit paru obstruktif kronis (COPD).  

Dalam uji coba kelompok kecil, perangkat berhasil membedakan pola pernapasan antara individu sehat dan mereka yang menderita COPD, menunjukkan potensi perangkat dalam perawatan pernapasan.

“Dengan melacak aktivitas diafragma, teknologi ini berpotensi mendukung pasien dengan kondisi pernapasan dan mereka yang bergantung pada ventilasi mekanik.”

– Co‑author studi Joseph Wang, profesor di Departemen Kimia dan NanoEngineering Keluarga Aiiso Yufeng Li

Perangkat kemudian digunakan pada lengan bawah untuk mendeteksi aktivitas otot tangan dan pergelangan. Ditemukan bahwa ia berhasil mengenali gerakan tangan dari sinyal ultrasound radiofrekuensi satu kanal yang terdeteksi dari otot lengan bawah. 

Algoritma deep learning khusus memungkinkan tim mendeteksi berbagai gerakan tangan dengan akurasi lebih tinggi hanya dari sinyal ultrasound. Sebanyak 13 sendi tangan dilaporkan dapat dikenali dengan rata‑rata kesalahan hanya 7,9°.

Deteksi gerakan ini melibatkan sepuluh sendi jari dan tiga sudut rotasi pergelangan, yang menunjukkan bahwa sistem dapat menangkap bahkan gerakan jari dan pergelangan yang halus dengan sensitivitas tinggi. Tes khusus ini menunjukkan potensi penggunaan perangkat sebagai antarmuka manusia‑mesin untuk bermain game virtual atau mengendalikan lengan robotik. 

Menurut co‑author studi Wentong Yue, kandidat Ph.D. di departemen yang sama di UC San Diego:

“Demonstrasi ini menegaskan potensi teknologi untuk prostetik, permainan, dan aplikasi antarmuka manusia‑mesin lainnya.”

Sekarang, dalam langkah selanjutnya, peneliti akan berupaya lebih meningkatkan efisiensi energi, portabilitas, akurasi, dan kemampuan komputasi teknologi ini.

Kebangkitan Ultrasound Wearable Membuka Masa Depan Kedokteran

Ultrasound wearable adalah terobosan medis yang dapat merevolusi perawatan kesehatan. Namun, kemajuan ini telah berlangsung cukup lama. Selama bertahun‑tahun, ilmuwan telah mengatasi berbagai tantangan dan mengembangkan berbagai ultrasound wearable untuk pemantauan jarak jauh fungsi fisiologis kritis pasien.

Source: Wiley Online Library

Awal tahun ini, peneliti menemukan logam cair untuk mengatasi masalah impedansi akustik pada sistem ultrasound yang bergantung pada transduser. Biasanya, masalah ini diatasi dengan lapisan penyesuaian, tetapi sebagian besar material yang digunakan terlalu kaku untuk perangkat wearable.

Untuk merancang lapisan penyesuaian yang lebih konform namun fungsional, peneliti menggunakan berbagai ukuran dan volume tetesan berbasis galium dalam silikon lunak. Dengan menyaturasi silikon dengan sekitar 70% tetesan, densitas lapisan penyesuaian yang dihasilkan meningkatkan impedansi akustiknya lebih dari 400%. Saat diregangkan, mirip dengan apa yang mungkin dialami lapisan penyesuaian dalam perangkat wearable, impedansi hanya turun 13%.

Tim kemudian mengintegrasikan lapisan penyesuaian yang dapat diregangkan ke dalam prototipe ultrasound wearable, yang berhasil merekam gerakan simulasi, menunjukkan potensinya sebagai perangkat diagnostik.

Beberapa tahun lalu, tim riset yang didanai NIH dipimpin oleh Dr. Xuanhe Zhao di MIT juga mengembangkan patch ultrasound wearable, berukuran setebal perangko tebal, yang menempel pada kulit baik dalam kondisi kering maupun basah. 

Saat diuji, patch tersebut dapat dipakai dengan nyaman setidaknya selama 48 jam dan mampu memberikan pencitraan kontinu otot, pembuluh darah, jantung, diafragma, paru, atau perut. Namun, patch harus terhubung ke sistem komputer untuk pemrosesan data intensif. Namun, seperti yang telah kami lihat, kemajuan terbaru berfokus pada menghilangkan keterbatasan ini sambil membuat sistem lebih efektif.

“Kami membayangkan beberapa patch yang ditempelkan pada lokasi berbeda di tubuh, dan patch tersebut akan berkomunikasi dengan ponsel Anda, di mana algoritma AI akan menganalisis gambar sesuai permintaan.”

– Zhao mengatakan pada saat itu

Ini kini mulai menjadi kenyataan, dengan perusahaan teknologi kesehatan Skotlandia Novosound securing paten untuk ultrasound wearable‑nya awal tahun ini. Perangkat ini, yang terus memantau aliran darah dan tekanan pasien, dipasang pada tubuh untuk menghasilkan gambar di perangkat seluler.

“Ini memungkinkan kami mengintegrasikan dan melisensikan teknologi dengan mitra smartwatch, melihat lebih dalam ke dalam tubuh dan meningkatkan pengukuran yang diberikan sensor optik dan listrik mereka, membuka grail suci pemantauan tekanan darah 24/7 di pergelangan tangan.”

– CEO dan co‑founder Novosound Dr. Dave Hughes

Paten tersebut tidak hanya memberi perusahaan hak eksklusif untuk menjual teknologi dan proyek percontohan dengan institusi besar, tetapi juga melibatkan kontrak R&D untuk aplikasi kesehatan digital konsumen. Novosound telah bermitra dengan Texas Medical Center untuk mengembangkan kasus penggunaan untuk ultrasound wearable mereka.

Perusahaan Relevan dalam Wearables Kesehatan

Teknologi wearable adalah sektor yang berkembang dan telah menarik minat raksasa teknologi seperti Apple (AAPL ), yang telah mengeksplorasi aplikasi terkait kesehatan melalui wearable kelas konsumen Apple Watch.

Kami akan, bagaimanapun, fokus pada perusahaan yang secara aktif terlibat di bidang medis, jadi berikut dua nama terkemuka yang berpotensi mendapat manfaat dari inovasi seperti ultrasound wearable.

1. Medtronic

Perusahaan global dalam perangkat medis, Medtronic Public Limited Company, menyediakan solusi teknologi kesehatan yang luas dan sedang mengeksplorasi wearables untuk diagnostik dan pemantauan kesehatan, termasuk solusi remote.

Pada tahun 2022, Medtronic partnered dengan BioIntelliSense untuk wearable BioButton mereka yang mengukur hingga 1.440 pengukuran tanda vital per hari, termasuk detak jantung saat istirahat, suhu kulit, dan laju pernapasan saat istirahat. Tahun ini, perusahaan focused pada AI, meminta setiap departemen untuk menghasilkan ide penggunaan teknologi guna meningkatkan produktivitas.

Dengan kapitalisasi pasar $115,56 miliar, saham Medtronic saat ini diperdagangkan pada $90,11, naik 9,38% tahun ini. Dengan itu, perusahaan memiliki EPS (TTM) sebesar 2,97 dan P/E (TTM) sebesar 30,31 sambil membayar dividen sebesar 3,11%.

Untuk kuartal pertama tahun fiskal 2025, berakhir 26 Juli 2024, Medtronic reported pendapatan $7,9 miliar, naik 2,8%. “Pasar dasar kami sehat, kami meningkatkan ketat operasional, dan inovasi produk baru mendorong pertumbuhan beragam di pasar teknologi kesehatan utama,” kata CEO Geoff Martha.

Selama kuartal ini, pendapatan Portofolio Kardiovaskular naik 5,5% menjadi $3 miliar, pendapatan Portofolio Neurosains meningkat 4,4% menjadi $2,3 miliar, dan segmen diabetes melonjak 11,8% menjadi $647 juta, sementara pendapatan Portofolio Medis Bedah menurun 0,4% menjadi $1,996 miliar.

2. GE HealthCare Technologies

Ini adalah perusahaan teknologi medis yang menawarkan solusi ultrasound inovatif selain pencitraan, Pharmaceutical Diagnostics (PDx), dan Patient Care Solutions (PCS). Mengingat fokusnya pada solusi ultrasound, GE HealthCare berpotensi mengintegrasikan kemajuan wearable untuk pencitraan diagnostik.

Tahun ini, perusahaan collaborating dengan Biofourmis untuk memperluas jangkauan teknologi pemantauan pasien ke rumah mereka. Biofourmis adalah platform perawatan khusus virtual yang menggabungkan algoritma AI untuk menawarkan alat yang membantu memantau pasien akut dan pasca‑akut secara remote.

Beberapa tahun lalu, GE HealthCare juga rolled out sensor nirkabel portabel untuk pasien yang dipakai selama masa rawat inap di rumah sakit, memungkinkan klinisi melacak tanda vital tanpa harus melakukan pemeriksaan rutin.

Dengan kapitalisasi pasar $39,64 miliar, saham GE HealthCare saat ini diperdagangkan pada $86,78.11, naik 12,23% tahun ini. Dengan itu, perusahaan memiliki EPS (TTM) sebesar 3,65 dan P/E (TTM) sebesar 23,77 sambil membayar dividen sebesar 0,14%.

Untuk Q3 2024, GE HealthCare reported pendapatan $4,9 miliar, naik 1% year‑over‑year, sementara mencatat bahwa pertumbuhan pendapatan positif di AS was offset oleh kelembutan pasar yang berkelanjutan di China. Laba bersihnya $470 juta, dan arus kas dari aktivitas operasional $742 juta, sementara $651 juta merupakan arus kas bebas.

“Inisiatif penghematan yang berkelanjutan di seluruh organisasi memberikan nilai lebih baik kepada pasien dan pelanggan serta menghasilkan ekspansi margin yang kuat.”

– CEO Peter Arduini

Kesimpulan 

Dalam perawatan kesehatan, ultrasound memainkan peran kunci, memungkinkan klinisi melihat ke dalam tubuh kita untuk mendiagnosis penyakit dan memantau kesehatan. Oleh karena itu, peneliti tertarik mengintegrasikan teknik non‑invasif ini ke dalam perangkat wearable. 

Seperti yang kami lihat pada penelitian terbaru, patch ultrasound wearable yang serbaguna dapat memberikan pencitraan resolusi tinggi dari jaringan internal secara bergerak untuk berbagai aplikasi klinis dan diagnostik, membuka era baru perawatan kesehatan yang dipersonalisasi. 

Secara keseluruhan, wearables adalah masa depan perawatan kesehatan, meskipun kekhawatiran terkait akurasi dan keandalan sensor serta daya baterai harus diatasi, dan akses yang lebih baik ke alat analitik harus disediakan untuk memanen manfaat penuh teknologi!

Klik di sini untuk daftar perusahaan pelacakan kesehatan wearable teratas.